基於此,新加坡南洋理工大學的陳曉東教授和浙江大學的李德昌副教授
圖1、蜘蛛絲複合材料的韌性和導電性
【圖文解讀】
如圖1所示,由於親水性PSS,PEDOT:PSS與加工後的S-silk具有良好的粘合性,從而形成保形的導電層。此外,將SWCNT引入到S-silk中以提高韌性。同時,SWCNT可以通過從PEDOT到SWCNT的電子密度轉移來進一步提高S-silk的電導率。通過樣品橫截面的拉曼光譜中的G帶確認了S-silk中存在SWCNT。隨著SWCNT的重量百分比增加(0-12.5 wt%),G帶的強度增加,但應力應變曲線直到12.5 wt%幾乎保持不變。由於在12.5和10 wt%SWCNT的複合材料之間機械性能沒有差異,故將含10 wt%SWCNT的蜘蛛絲複合材料用於機器人手指實驗。
耗散粒子動力學(DPD)模擬研究
為了瞭解SWCNT如何在微觀尺度上改善S-silk的力學性能,作者進行了DPD模擬。圖2a-b顯示了粗粒度S-silk複合材料的快照片。隨著應變的增大,非晶結構中的氫鍵斷裂。在S-silk複合物中,SWCNT與絲蛋白之間的相互作用比不使用SWCNT時的強度更高。當壓力進一步增加,由於SWCNT和絲蛋白之間的橋接效應,複合材料會經受更高的歸一化應力(圖2c-f)。在較低的臨界應變下,S-silk複合材料比S-silk斷裂更困難,表明該複合材料具有更高的韌性和更好的機械性能。在模擬中,將斷裂定義為穿過任何橫截面的橋數小於1。DPD模擬的韌性、楊氏模量和強度隨SWCNT wt%的變化與實驗數據非常吻合,表明SWCNT對於改善蜘蛛絲的機械性能非常重要。
圖2、DPD模擬中silk-SWCNT納米複合材料的典型力學測試
探究silk複合肌腱的耐久性
接著,作者使用含有10 wt%SWCNT的S-silk複合材料作為電肌腱,將電肌腱連接到機器人手指的內側,並使用基於硅樹脂的伸肌將其固定在適當的位置。當食指完全彎曲時,測量了機器人手指相對於垂直軸的角度變化以及肌腱長度的變化。食指在靜止狀態下的初始角度約為8°,當手指從0到5.2 cm被肌腱牽拉到其最終狀態時,角度變為73°,並且在整個彎曲過程耗時約1.5 s。為了確認S-Silk複合肌腱的耐久性,進行了循環彎曲試驗,並將結果與其它肌腱材料(天然S-silk、尼龍纖維、PDMS纖維等)進行了比較,發現韌性更高的材料顯然更耐久。基於韌性為420 MJ/m3的S-silk複合材料的手指在整個彎曲過程中可承受40,000次循環,幾乎是天然S-silk的兩倍。進一步測試了手指舉重的能力,所有纖維的直徑保持在0.3 mm。S-silk複合纖維的手指可以舉起7.6 kg的重量(1051.1 N/mm2),與鋼纖維的手指(1292.5 N/mm2)相當,但遠高於尼龍的手指纖維(766.3 N/mm2)、商用碳纖維(604.7 N/mm2)、天然S絲(537.1 kg/mm2)和PDMS纖維(4.3 N/mm2)。
圖3、S-silk複合肌腱裝配在機器人手指上的性能
基於肌腱的機器人手的反饋與抓握過程
在機器人手的移動過程中,肌腱還需要穩定地傳輸來自反饋系統的信號。為此,作者設計了一種壓力反饋系統,以使手在握住物體時能感覺到手指的壓力。該壓力傳感器的靈敏度約為24.8 kPa-1,可以在4 ms之內檢測到0-1 kPa的壓力,滿足抓握實驗的要求。將壓力傳感器組裝在食指的尖端,並通過100 kΩ的電阻將其連接到肌腱。當手指彎曲時,肌腱的電阻幾乎保持不變。當我們以0、113、327和749 kPa的壓力觸摸傳感器時,手指分別彎曲0°、19°、32°和43°。較高的力會導致較大的彎曲角度(Movie 3)。利用結合了S-silk複合電肌腱和壓力傳感器的機器人手來抓住綠色氣球,而不會使其形狀變形。當滿足停止壓力標準時,手指停止彎曲,使綠色氣球保持在三個手指之間的位置。這種基於肌腱的機器人手顯然足夠靈巧,可以執行對日常活動有用的基本抓握功能。
圖4、人形機器人手抓取物體時的反饋過程
參考文獻:A supertough electro-tendon based on spider silk composites . Nature Communications, 2020, DOI: 10.1038/s41467-020-14988-5.
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